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Septentrio產(chǎn)品伽利略衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)之現(xiàn)況更新

欄目：產(chǎn)品動態(tài) 發(fā)布時間：2020-11-01

                                    Septentrio伽利略衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)之現(xiàn)況更新

原創(chuàng)：李亞東，轉(zhuǎn)自：septentrio中國公眾號

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        近些年衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)迅猛發(fā)展，BeiDou、GPS、GLONASS、Galileo等幾大系統(tǒng)日趨完善。隨著我國北斗三號全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)建成并正式開通，更是加速了衛(wèi)星導(dǎo)航在各行業(yè)應(yīng)用的落地。在民用GNSS產(chǎn)品應(yīng)用中，通常不是單用北斗系統(tǒng)或者單用GPS系統(tǒng)，而是多系統(tǒng)同時接收、同時使用的混合定位，這樣雖然不能夠提高絕對的定位精度，卻可以減小遮擋、多徑等復(fù)雜環(huán)境下的位置漂移。以單GPS系統(tǒng)定位為例，通常開闊天空可以收到約12顆左右的GPS衛(wèi)星，而在城市峽谷衛(wèi)星數(shù)量會減少到5、6顆，這樣勢必會使得在開闊天空場景下2米左右的定位精度惡化到幾十米甚至上百米。如果同時使用四大GNSS系統(tǒng)，在北京市開闊區(qū)域5度仰角以上的衛(wèi)星數(shù)大概在60顆左右，所以在半面天空遮擋情況下也有近30顆，更多的衛(wèi)星意味著接收機(jī)可以把漂移從單GPS的幾十米減小到十幾米或者幾米。所以多個系統(tǒng)同時工作還是有很大的意義。對于RTK定位而言，多顆衛(wèi)星也意味著可以更快速、更可靠的收斂。在國內(nèi)大家對北斗、GPS都比較熟悉，相關(guān)的技術(shù)文章、測試、分析等資料也比較多，而對伽利略系統(tǒng)（Galileo）可能還是比較陌生，多數(shù)人認(rèn)為還停留在Galileo沒有幾顆衛(wèi)星、Galileo系統(tǒng)不穩(wěn)定或者Galileo還不太可用的階段。而按照計劃，Galileo系統(tǒng)會在2020年完成組網(wǎng)，碰巧今年就是2020年，那么Galileo系統(tǒng)當(dāng)前是什么狀態(tài)呢？


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       首先按照習(xí)慣先介紹一下伽利略衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，Galileo satellite navigation system是由歐盟研制和建立的全球衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)，簡稱Galileo。系統(tǒng)由軌道高度為23222km的30顆衛(wèi)星組成（每個軌道標(biāo)準(zhǔn)平均半軸為29600km），起初計劃其中27顆工作星，3顆備份星，后調(diào)整為24顆工作衛(wèi)星，6顆備份衛(wèi)星。分布在3個傾角為56°的軌道平面內(nèi)。（注：有些網(wǎng)絡(luò)資料沒及時更新，對伽利略系統(tǒng)的介紹還是說27顆工作星。）



      自2011年首顆試驗衛(wèi)星開始，先后10次火箭發(fā)射將26顆衛(wèi)星送入太空。E14,E18 兩顆衛(wèi)星由于火箭發(fā)射失誤未進(jìn)入正常軌道，后經(jīng)過一系列變軌后播發(fā)GPS L5信號做在軌試驗。E20,E22兩顆衛(wèi)星先后因在軌電源故障和原子鐘故障關(guān)閉。所以到目前為止伽利略系統(tǒng)共有在軌可用衛(wèi)星22顆。據(jù)報道，ESA計劃在2020年12月使用俄羅斯聯(lián)盟號運(yùn)載火箭Fregat-MT發(fā)射2顆Galileo衛(wèi)星完成組網(wǎng)。



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          Galileo衛(wèi)星在L波段用三個頻率廣播導(dǎo)航信號：E1、E5和E6。其中以1575.42 MHz為中心的E1頻段提供三個信號分量，分別為E1-A、E1-B和E1-C。E1-A信號分量攜帶Galileo系統(tǒng)公共特許服務(wù)（PRS）。E1-B和E1-C組件分別構(gòu)成Galileo E1 公開服務(wù)（OS）的數(shù)據(jù)分量和導(dǎo)頻分量。



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E5信號中心頻率為1191.795 MHz，由E5a、E5b兩組獨(dú)立的信號組成。其中E5a中心頻率為1176.45 MHz，比E5載波頻率低15.345 MHz。E5b中心頻率為1207.14 MHz，比E5載波頻率高15.345 MHz。E5a和E5b即可以當(dāng)作E5頻段內(nèi)兩個不同載波頻率的獨(dú)立信號跟蹤處理，又可以合成一個寬帶信號來處理。E5使用AltBOC調(diào)制，帶寬為51.15 MHz，具有更好的多徑抑制效果和Gabor帶寬。

      E6信號中心頻點(diǎn)為1278.75 MHz，包括E6-A、E6-B和E6-C三個信號分量。與E1頻點(diǎn)類似， E6-A分量是Galileo 系統(tǒng)公共特許服務(wù)（PRS）。E6-B和E6-C分別是Galileo 商業(yè)服務(wù)（CS）的數(shù)據(jù)分量和導(dǎo)頻分量。

各信號對應(yīng)的載波頻率和參考帶寬如下：


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詳細(xì)內(nèi)容請參Galileo公開服務(wù)空間接口控制文件。

我們總結(jié)下來：Galileo系統(tǒng)由24顆工作衛(wèi)星、6顆備份衛(wèi)星組成。目前在網(wǎng)運(yùn)行22顆。還差2顆完成工作衛(wèi)星組網(wǎng)，計劃今年12月補(bǔ)齊。

   問題來了，Galileo系統(tǒng)組網(wǎng)大體都完成了，可以正常工作嗎？性能如何呢？iGMAS專家說：“一般來說專業(yè)機(jī)構(gòu)評估某個系統(tǒng)可用性會評估URE、空間信號可用性、空間信號連續(xù)性、廣播電離層精度、定位精度、定位可用性、PDOP可用性等。” 當(dāng)然這也需要更多的參考接收機(jī)以及更長的觀測時間。關(guān)于幾大系統(tǒng)的星座狀況可以訪問iGMAS官網(wǎng)http://www.igmas.org/ 。而對于終端用戶而言難以將這些參數(shù)與自己應(yīng)用相對應(yīng)，終端用戶更關(guān)心不同工作模式下的定位精度和定位可用性。下面就和大家分享一下Galileo系統(tǒng)在國內(nèi)的性能測試情況。



本次測試終端使用比利時Septentrio公司的全系統(tǒng)、全頻點(diǎn)、100Hz、抗干擾模組mosaic-X5。一方面mosaic模組作為市場上成熟的量產(chǎn)終端產(chǎn)品契合客戶的真實(shí)應(yīng)用場景，另一方面作為Galileo系統(tǒng)地面段GNSS接收機(jī)設(shè)備的唯一供應(yīng)商，Septentrio把系統(tǒng)段的技術(shù)和性能擴(kuò)展到了包括mosaic在內(nèi)的用戶段終端產(chǎn)品。為此我們有理由相信mosaic-X5可以如實(shí)的展現(xiàn)Galileo系統(tǒng)的性能。

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其他測試設(shè)備，DUTs天線使用中海達(dá)全系統(tǒng)全頻點(diǎn)天線AT-35101，在此也特別感謝中海達(dá)的天線贊助。參考站使用Septentrio參考站接收機(jī)PolaRx5e，參考站天線選用Septentrio PolaNt-x MF。



本次測試包括三個場景：
1. Galileo Only VS. GPS Only單點(diǎn)定位。既然在國內(nèi)測試為什么選擇GPS做對比而沒有選擇北斗？本次測試的試驗分別在3月、4月和7月，當(dāng)時北斗系統(tǒng)還未組網(wǎng)完成，故而選則GPS做對比參考。   


2. 10km，20km，30km的靜態(tài)實(shí)時RTK測試，Galileo Only RTK VS. GPS Only RTK。

3.實(shí)時RTK動態(tài)跑車性能，Galileo Only RTK VS. GPS Only RTK。




1.Galileo Only VS. GPS Only單點(diǎn)定位
環(huán)境搭建：樓頂天線，天線位置已知。連續(xù)工作24小時，保存LOG后做數(shù)據(jù)分析。


首先用數(shù)據(jù)質(zhì)量分析工具Anubis和BKG對GPS系統(tǒng)和Galileo系統(tǒng)進(jìn)行簡單質(zhì)量分析：

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通過上圖系統(tǒng)可用頻段可以直觀看到GPS系統(tǒng)60%的衛(wèi)星是雙頻，40%的衛(wèi)星是三頻。Galileo系統(tǒng)全部衛(wèi)星都是四頻。


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載噪比方面，L1/E1頻點(diǎn)GPS和Galileo比較接近，L2/E5b頻點(diǎn)伽利略更好一點(diǎn)。因為不是所有的GPS衛(wèi)星都支持L2C，而L2P(Y)的載噪比要低一些，尤其是低仰角部分更為明顯。

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仰角和衛(wèi)星數(shù)方面，圖先放這，后面遇到了問題再分析。
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通過Anubis軟件計算的單點(diǎn)定位性能和多路徑可看出Galileo系統(tǒng)性能比GPS好，這得益于其高性能的星載原子鐘。




mosaic實(shí)測的單Galileo及單GPS單點(diǎn)定位結(jié)果如下：

上圖中綠色軌跡為GPS SPP，紫色為Galileo SPP，明顯的看出Galileo的單點(diǎn)精度好于GPS。由于知道樓頂天線位置，所以可以計算水平、高程和三維的瞬態(tài)誤差，測試用同時使用了四系統(tǒng)的單點(diǎn)結(jié)果作為參考，詳情如下：
從上面mosaic測試結(jié)果來看，開闊天空場景Galileo三頻單點(diǎn)定位24小時水平精度（100%定位點(diǎn)）達(dá)到了0.5m，高程精度0.8m。


5°仰角以上可用衛(wèi)星數(shù)來看， GPS衛(wèi)星數(shù)24小時均值9.73顆，Galileo為7.33顆。而從中國區(qū)域可見的最小衛(wèi)星數(shù)來看，GPS最少7顆可用，并且90%時間有8顆以上大于5°仰角的衛(wèi)星。反觀Galileo系統(tǒng)最少5顆可用，有40%左右的時間僅有5、6顆大于5°仰角的衛(wèi)星。所以從系統(tǒng)可用性的角度，GPS更好。當(dāng)然，如前文所述，客戶通常會選用多系統(tǒng)同時接收、混合定位，這也不會是很大問題。




2. 10km、20km、30km靜態(tài)實(shí)時RTK測試



測試是個苦差事，為了選擇開闊天空GNSS測試工程師通常都工作在荒郊野嶺（Feng Jing You Mei）的地方。有圖有真相。


環(huán)境搭建：如上圖，被測終端分別在距離PolaRx5e參考站10KM、20KM、30KM的位置，天線盡量遠(yuǎn)離遮擋并用三腳架支起避免地面反射。因為野外沒有真值點(diǎn)，所以按照科班做法使用四系統(tǒng)RTK，做十次初始化，每次觀測50個歷元的固定解定位結(jié)果取平均，再將10次結(jié)果平均，當(dāng)做真值的估值。流動站方面，三個mosaic模組分別工作在GPS Only RTK，Galileo Only RTK，BeiDou+GPS+GLONASS+GLONASS四系統(tǒng)RTK模式。本次測試并未按照測繪常規(guī)進(jìn)行多次初始化，而是進(jìn)行單次初始化長時間采樣的方式，采樣率1Hz，采樣時間1小時。



我做了很多的數(shù)據(jù)分析表格，但因篇幅有限，直接上定位結(jié)果和內(nèi)符合、外符合精度分析結(jié)果：

通過上述分析結(jié)果可以看出GPS和Galileo單系統(tǒng)RTK基本上可以滿足水平精度1cm+1ppm高程精度1.5cm+1ppm的業(yè)界通用標(biāo)稱。10KM和30KM情況下，Galileo RTK Only精度略好于GPS RTK Only。20KM情況下，Galileo性能比GPS差。單分析Galileo系統(tǒng)瞬態(tài)精度，高程誤差相對正常，隨著Base和Rover距離變大而相應(yīng)變化，但水平位置誤差比30KM還差。如下圖所示：

為了確認(rèn)此問題，第二天在同樣的時間點(diǎn)又做了一次測試，現(xiàn)象基本一致。期初我懷疑可能是20KM測試時段衛(wèi)星數(shù)比較少或者DOP值差造成的。以此假設(shè)做了如下分析：



分析發(fā)現(xiàn)20KM情況下，參與RTK解算的衛(wèi)星數(shù)（平均值）比30KM情況下的衛(wèi)星數(shù)還多2顆。還記得上面講到仰角和衛(wèi)星數(shù)的時候我們說后面遇到問題再分析嗎？現(xiàn)在問題來了，衛(wèi)星數(shù)分析完了，是時候考慮仰角。起初配置時，為了照顧還未完成組網(wǎng)的Galileo系統(tǒng)的RTK固定率，我把仰角設(shè)置成了5°，而在20KM測試時間段，雖然衛(wèi)星數(shù)多，但幾顆衛(wèi)星在5°~20°仰角內(nèi)進(jìn)進(jìn)出出。所以上述問題主要是低仰角衛(wèi)星造成的。





在上面測試中，10KM、20KM 測試場景中Galileo Only RTK固定率為100%。在30KM場景下，因為彼時段衛(wèi)星數(shù)較小加之基線距離較長，其固定率為95%左右。GPS在三個場景下的RTK固定率均為100%。

有人或許會問，Galileo only RTK 24小時工作會是啥樣？可以一直RTK Fix嗎？答案是：短基線距離+開闊天空，可以！


3.實(shí)時RTK動態(tài)跑車實(shí)驗。
搭建：天線放在車頂，在Base與Rover距離小于10KM的六環(huán)路和京藏高速上飛奔。

四系統(tǒng)RTK的定位軌跡如下：

由于沒有搭建慣性后處理真值系統(tǒng)，加上前面靜止場景我們已經(jīng)進(jìn)行了精度分析，所以跑車實(shí)驗不做詳細(xì)的精度分析。而且因為mosaic算法設(shè)計選擇了可靠RTK Fix的策略，RTK 固定解基本可以代表厘米級精度，所以這里我們只統(tǒng)計RTK 固定率。前面“油條”圖放的太多，跑車實(shí)驗我們來以“餅”圖收場吧。四系統(tǒng)RTK固定位在93.2%左右，單GPS RTK固定率為77.5%，單Galileo  RTK固定率為71.9%。GPS的固定率比Galileo好5.6個百分點(diǎn)。


結(jié)論：

通過上述簡單實(shí)驗結(jié)果，相信大家會對Galileo系統(tǒng)有了新的認(rèn)識。我本人認(rèn)為Galileo系統(tǒng)目前基本可用，并且精度較好。雖然Galileo系統(tǒng)可用性暫時還不如GPS系統(tǒng)，但就GNSS行業(yè)發(fā)展到現(xiàn)在，多系統(tǒng)、多頻點(diǎn)解決方案的普及的當(dāng)下， Galileo系統(tǒng)應(yīng)該被更多的支持和使用。原因有三：第一，針對目前對可靠性和精度要求高的雙頻RTK或者三頻RTK來說，E5b及E5a的加入會增加更多的衛(wèi)星。這對于那些因使用沒有播發(fā)RTCM 1230消息的商用網(wǎng)絡(luò)RTK服務(wù)而放棄GLONASS系統(tǒng)的接收機(jī)來說更為重要。第二，針對L1+L5的雙頻應(yīng)用來說，因為GPS系統(tǒng)僅有一小部分衛(wèi)星播發(fā)L5信號，所以BeiDou和Galileo系統(tǒng)是絕對的主力系統(tǒng)。而在B2a的RTCM協(xié)議正式發(fā)布前，此類應(yīng)用目前還主要依靠Galileo系統(tǒng)。第三，因為E5a信號播發(fā)星歷數(shù)據(jù)加上較高的碼速率對多徑的抑制作用，使得如穿戴式等對功耗極其敏感的應(yīng)用可以完全放棄L1頻點(diǎn)而使用單L5接收機(jī)，對于這樣的設(shè)計來說Galileo系統(tǒng)是當(dāng)仁不讓的主系統(tǒng)，其代替了傳統(tǒng)L1頻點(diǎn)接收機(jī)GPS為主系統(tǒng)的地位。終上，讓我們期待Galileo早日組網(wǎng)成功，攜手BeiDou、GPS、GLONASS為我們的生產(chǎn)生活做出更大的貢獻(xiàn)。